近期，中國科學院微電子研究所副所長劉新宇研究員團隊及合作者（中國科學院固體物理研究所王先平課題組、中國科學院微電子研究所先導中心工藝平臺等）在氮化鎵界面態起源研究方面取得創新性進展。

氮化鎵界面態問題是III-N材料體系研究一直面臨的核心問題，制約著器件的規模化和實用化。其中，深能級界面態很容易造成器件性能惡化，被研究者關注較多，目前已通過多種鈍化方法（如SiN_x，SiO₂，AlN等）將器件界面態降低到10¹¹-10¹²cm^-2 eV^-1水平。但近導帶區域的淺能級界面態通常保持在10¹³cm^-2 eV^-1以上水平。由于缺乏近導帶區域界面態的捕獲界面實驗數據，一般用10^-14-10^-16 cm^-2的經典數據代表整個界面的捕獲截面，導致捕獲截面小于10^-16 cm^-2的界面態時間常數被大大低估，從而誤判器件在低頻（<1MHz）工作時電流崩塌的主要來源。另一方面，由于GaN近導帶區域界面態的理論起源不清晰，缺乏自洽的實驗數據和理論證明，很難提出一種全面的解決方案來制備高質量的介質與GaN界面結構。氮化、氧化、晶化或其他處理方式均被用于解決界面態問題，但其潛在的邏輯并不始終一致，因此有必要深入研究界面態及其理論起源。

針對上述關鍵問題，劉新宇研究員團隊基于超低溫的恒定電容深能級瞬態傅里葉譜表征了LPCVD-SiN_x/GaN界面態，在70K低溫下探測到近導帶能級ELP (EC - ET = 60 meV)具有1.5 ×10^-20 cm^-2的極小捕獲界面。在國際上第一次通過高分辨透射電鏡在LPCVD-SiN_x/GaN界面發現晶化的Si₂N₂O分量，并基于Si₂N₂O/GaN界面模型的第一性原理分析，證明了近導帶界面態主要來源于鎵懸掛鍵與其臨近原子的強相互作用。由于晶化的Si₂N₂O分量中電子平均自由程比無定形介質分量自由程長，且Si₂N₂O與GaN的晶格失配非常小，使得近導帶界面態的捕獲界面非常小。該發現從新視角揭示了近導帶界面態的理論起源，為解決界面態問題提供了深刻理論與實踐依據。研究中同時發現了一種與GaN晶格周期匹配的晶體介質Si₂N₂O，其與GaN<11-20>和<1-100>方向高度匹配，有望在材料生長領域催生新的研究熱點。

該工作以《探究LPCVD-SiN_x/GaN晶化界面的近導帶界面態》為題發表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》雜志上（DOI: 10.1021/acsami.8b04694），相關專利已獲申請號。

該項研究得到國家自然科學基金重大儀器項目/重點項目/面上項目、中科院前沿重點項目/STS項目、重點研發計劃等項目的資助。

《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊針對化學家、工程師、物理學家和生物學家等跨學科團體，專注于如何開發和將新發現的材料、界面工藝用于特定應用。

圖1、LPCVD-SiN_x/GaN界面HRTEM圖像（中）、Ga_Si模型（左）及第一性原理DOS分布（右）